Как показали исследования ("Permanent-magnet-free stabilization and sensitivity tailoring of magnetoresistive field sensors"), проведённые в National Institute of Standards and Technology (NIST), слой рутения толщиной в несколько атомов можно использовать для точной настройки чувствительности и увеличения надёжности магнитных сенсоров.
Немагнитный металл действует как буфер между активными слоями материалов датчика, предлагая простое средство настройки полевых инструментов, типа компасов, и стабилизации намагниченности в данном направлении в таких устройствах, как считывающая головка HDD.
В сенсоре, разработанном NIST, слой рутений регулирует взаимодействие между ферромагнитным слоем (в котором спины электронов сонаправлены), и антиферромагнитным слоем (в котором спины электронов противоположно направлены). В присутствии магнитного поля, спины электронов в ферромагнитной плёнке поворачиваются, при этом меняется сопротивление сенсора, что приводит к изменению напряжения на выходе. Антиферромагнитный слой необходим для стабильной работы сенсора, он не обладает намагниченностью, поэтому магнитное поле не оказывает на него влияния. Антиферромагнитный слой действует как очень жёсткая пружина, которая мешает повороту спинов и этим стабилизирует сенсор. Слой рутения (см. рисунок) необходим для ослабления влияния «пружины», фактически делая сенсор более чувствительным, т.к. облегчает поворот спинов электронов.
Исследования NIST показали, что увеличение толщины буферного слоя рутения (до 2 нм) приводит к увеличению чувствительности устройства. Уменьшение толщины слоя позволяет расширить диапазон значений внешнего поля, которые может регистрировать устройство. При толщине слоя рутения, превышающей 2 нанометра, взаимодействие между активными слоями прекращается. Буферный слой толщиной менее 2 нм позволяет сохранять намагниченность датчика без дополнительного внешнего воздействия. Это помогает предотвратить размагничивание и отказ сенсора.
Сенсоры были изготовлены в чистой комнате NIST в Boulder (Колорадо). Технология изготовления позволяет наладить серийное производство датчиков. Сенсор состоит из трёх основных слоёв, полученных осаждением на кремниевую пластину:
- антиферромагнитный слой толщиной 8 нм из сплава иридия и марганца;
- буферный слой (толщиной не более 2 нм) из рутения;
- ферромагнитный слой толщиной 25 нм из сплава никеля и железа.
Разработка сенсора была ключевым моментом в создании системы анализа магнитной записи для Федерального бюро расследований.
